“数字城市”中三维模型数据的建设与应用

刘 影

(广州都市圈网络科技有限公司，广东广州511400)

一、引 言

“数字城市”是城市信息化发展的方向，是数字地球的一部分，三维地理信息数据是“数字城市”的重要基础空间信息。城市三维数据的建立能够全方位、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，并可以第一人称的身份进入城市，感受与实地观察相似的体验感。通过建立基于真实影像的“三维数字城市”，人们可以直观地从三维城市上判读出山川、河流、楼宇、道路。借助传统平面地图的概念，叠加空间矢量数据、地物兴趣点数据及三维模型数据，形成可视化的三维“数字城市”展示系统。

随着地理信息新技术的不断出现和“数字城市”建设步伐的加快，城市三维地理数据作为一种新的城市空间信息数据越来越受到城市规划、建设和管理部门的青睐。作为三维地理信息系统建设的基础性、核心内容，城市三维地理信息数据的建设情况决定了三维地理信息系统应用的广度与深度。由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是三维可视化技术应用的主要领域，建立基于影像的城市三维系统，构建真实、准确的虚拟城市场景，实时互动地评估与分析规划方案，为城市规划的决策提供更加直观与科学的依据，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的，是当今城市规划信息化发展的重要方向。

二、“数字城市”的数据构成

三维“数字城市”模型主要由基础数据和三维地理模型数据组成。

1)基础数据:包括数字线划数据、影像与纹理数据、数字地面模型和对象属性数据等。

2)三维地理模型:包括地形建模、比较规则的实体建模、树木草地建模、小品建模和特效的绘制(如火、烟雾等特效)。城市三维建模是为城市规划、建设、运营、管理和数字城市建设提供技术服务，是城市经济建设和社会发展信息化的基础性工作。

三、数字城市制作中三维模型数据处理与制作标准

三维模型数据处理包括图形数据处理与影像处理两部分。其中，图形数据处理分为二维矢量图形处理和三维模型制作，栅格处理分为影像处理和相片纠正。

1.模型坐标系

具有统一的三维地理坐标是建造大规模三维场景和应用系统的基础。武汉市三维数字地图系统建设以国家1∶2000和1∶500地形图为基础，使该系统能与其他GIS和测量系统兼容。为使三维模型能够顺利、正确地导入数据库，所有坐标都应基于统一的坐标系。

2.模型的基本单位

城市大比例尺地形图通常采用平面坐标系，以米为单位，因此模型建造也应以米为基本单位，按实际地物的实际尺寸建模，尺寸精度根据该模型所处的LOD级别而定。

3.模型的制作

都市圈“数字城市”项目中三维模型制作一般包含8个主要的建模步骤，包括地形图预处理、地形图导入、白模创建与修正、三维精细化建模、模型过程检查、建筑纹理贴图、模型命名与分组，以及配置记录与导出。

4.模型定位参考点

每个模型必须有用于定位的参考点。定位参考点是模型局部坐标系的原点，用于精确定位模型的空间位置，这对于引用三维场景中相同或类似的地物非常有用(如电杆、路灯、交通灯等)。武汉市三维数字地图建模规定:模型的定位点为地形图上该地物外接矩形的中心，纵向为模型最低点。

5.模型的高度

都市圈“数字城市”项目中模型的高度，尤其是建筑物高度，根据不同细节程度模型的表现需要，可采用以下3种方式确定:①体块模型、基础模型的建立，可根据现有二维GIS数据(如楼层数)确定建筑物及其他要素的高度;②质量要求较高的模型，可采用航片立体相对、激光测高仪或LiDAR确定建筑物及其分段部位的高度;③精细模型高度从建筑设计图或施工图获得。

6.样条曲线/面的使用

样条曲线/面能用较少的参数细腻地表现连续表面，但转化为通用格式(如3DS)后会带来巨大的数据量，因此模型的制作尽量不采用样条曲线/面，或在使用后将其转化为折线，而后进行曲线/面优化。

7.相片处理

对于实地拍摄的相片，必须先进行透视矫正，然后进行色调调整，对于标准级别以上的模型，还需要清除遮挡物，以获得良好的视觉效果，最后根据地物所在的分区编号、建筑编号规范纹理名称。

8.纹理映射

纹理映射只采用散射贴图(diffuse)和透明贴图(opacity)。三维建模软件通常都支持丰富的纹理映射方式，但通用交换文件格式通常只支持有限的几种，因此，纹理映射应只采取最常用的贴图方式。

9.模型的制作工具与成果提交形式

都市圈“数字城市”项目建模工具制作的模型以两种方式提交:一种为建模工具默认的格式(如Max文件);另一种为转换的3DS文件，并以文件夹的形式提供纹理，模型文件名、文件夹的名字应相同。

四、三维数据在城市建设中的应用

三维数据以其强大的功能和广泛的应用改变了城市规划和建筑设计，表现形式从传统效果图、沙盘模型、三维动画的设计模式提升到数字技术。更重要的是它实现了对城市环境从过去到未来变化状态及趋势进行科学的仿真、模拟和预测。

1.三维数据在城市建设中辅助规划分析

都市圈“数字城市”三维模型数据利用城市空间数据建立一个逼真的、立体的、可交互的虚拟城市环境，可实现城市规划的全方位、自动化设计理念，并且利用三维可视化技术构建的虚拟城市景观可以从众多的规划方案中选择具有最佳效益的一个，主要是辅助规划办案人员更加规范、科学地进行业务办公(如图1所示)。

图1 规划方案的对比图

2.三维数据为人类活动带来的便利应用

都市圈“数字城市”三维模型数据建成后通过系统功能对三维场景的光影分析及景观视域的模拟评估。通过拉动时间轴，可以在三维渲染屏幕上浏览片区改造后对于周边建筑物的景观光照效果的分析评估。通过三维数据的光影分析结果，清晰表示楼宇的光线明亮度及可见阳光的区域和时间变化情况，为人们外出活动提供便利(如图2所示)。

图2

五、结束语

数字城市建设已成为测绘领域一个重点研究对象，三维“数字城市”建设是一项庞大的系统工程，在设计时就要依据项目应用需求和信息共享需要，确定好三维模型的精度和制作技术标准，保证成果满足设计要求和应用要求。城市三维信息系统的建设必将成为数字城市系统建设的主要内容之一，它将利用城市现有的空间地理信息、政务信息等信息资源和通信基础设施，通过城市建模和三维景观可视化，实现城市真实三维景观再现，为电子政务、业务应用和公众服务搭建三维GIS服务平台。